SLIME E FLUIDI NON NEWTONIANI

Quando si comincia ad amare la scienza? Esiste un momento preciso nella vita di una persona nella quale si comprende il proprio cammino e si delineano i primi passi per il proprio futuro?

Io non ho avuto un momento speciale nella mia vita, ma la consapevolezza del mio amore per la scienza è la conseguenza di tanti momenti e ricordi molto lucidi.

Ricordo la mia passione per la natura, scoprire tutto quello che circonda la vista di un bambino. Ma soprattutto la mia testardaggine e la curiosità sono state da sempre il motore fondamentale del mio percorso.

Eppure alcuni eventi sono più importanti rispetto ad altri per le scelte future. Come tutti i ragazzini, ero incuriosito da giocattoli strani e particolari, e cercavo sempre di smontarli o capire il loro funzionamento interno o le sue caratteristiche.

L’articolo che ho scritto è come ricordare alcuni momenti della mia infanzia, e anche per questo devo ringraziare la mia collega, che da buon fisico e mamma è attenta e scrupolosa alla salute della propria figlia.

Ma prima di entrare nel nocciolo della questione, vi devo annoiare con alcune se pur brevi nozioni di chimica e fisica.

Avete mai sentito parlare di fluidi non newtoniani? No, non è una parolaccia, e si, ha a che fare con la chimica. Eppure sono sicurissimo che anche senza conoscere questi sistemi particolari li avete avuti tra le mani.

Un fluido non newtoniano è un fluido la cui viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato. Mi spiego meglio, la viscosità è una grandezza fisica che misura la resistenza di un fluido allo scorrimento. Comunemente si usa distinguere i fluidi dai solidi per il fatto che questi ultimi hanno una forma propria, mentre i fluidi assumono la forma del recipiente che li contiene. Diciamo che la definizione è parzialmente corretta, perché esistono dei solidi plastici che a causa della natura plastica delle loro particelle sono considerati fluidi.

Dal punto di vista microscopico la viscosità è legata all’attrito tra le molecole del fluido. 

Pensate a fluidi come l’acqua e il miele. Cosa hanno di diverso? Non mi dite l’aspetto perché è ovvio! L’acqua rispetto al miele è più fluido. Diremo che il miele è più viscoso dell’acqua.

Tutto ciò dipende dalle forze di attrazione delle singole particelle che compongono il fluido.

Caratteristica dei liquidi è la fluidità, ossia la capacità delle particelle che compongono il suddetto liquido di “scorrere” le une sulle altre. Ciò comporta che quando un fluido viene sottoposto ad uno sforzo di taglio, esso si deforma “per far posto” al corpo che applica la forza

FLUIDI NON NEWTONIANI

Viene definito fluido non newtoniano (o anche fluido amorfo) un fluido la cui viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato.

Nel caso dei fluidi non newtoniani, ovvero quei fluidi che non rispettano le leggi di Newton sulla dinamica dei fluidi, quindi un fluido newtoniano sottoposto all’azione di forze di taglio, reagisce in modo lineare: la velocità di flusso aumenta proporzionalmente alla forza applicata.

Invece come evidenziato dai loro reogrammi non lineari (v. grafico), sono non Newtoniani molti fluidi come: dispersioni colloidali, emulsioni, sospensioni, unguenti. In particolare, un fluido non-Newtoniano, sottoposto a forze di taglio, evidenzia un flusso di scorrimento che può essere: plastico, pseudoplastico, dilatante.

In parole povere, un fluido non newtoniano si comporta quasi come un solido se sottoposto ad una forza improvvisa, mentre conserva le caratteristiche di un liquido (molto viscoso) se la forza è regolare e continuata.

Un esempio abbastanza semplice per far comprendere anche agli studenti le caratteristiche di questi fluidi, è la miscela di acqua e amido di mais. Questa massa gelatinosa se sottoposta a forti impatti si comporta come un materiale abbastanza denso e impenetrabile.

I fluidi non newtoniani oppongono una resistenza maggiore all’aumentare della pressione esercitata.
L’amido di mais o maizena non si scioglie nell’acqua, ma le sue particelle rimangono in sospensione. Quando si esercita una forte pressione, le particelle si ammassano e non fanno penetrare l’oggetto. Se invece l’oggetto viene immerso lentamente, le particelle hanno il tempo di separarsi.

In poche parole, se ci si muove lentamente si comporta come un liquido (es immergendoci la mano) mentre se si colpisce velocemente la superficie esso si comporta come un solido.

LA CHIMICA DELLO SLIME

Quando io ero ancora un fanciullo, uno dei giochi che tutti i bambini avevano era lo slime. Una sostanza gelatinosa densa, spesso colorate e modellabile.

Ovviamente all’epoca non conoscevo la composizione e le caratteristiche di questo materiale, ma in commercio ci sono tantissimi tipi diversi e come spesso accade in rete si trovano anche delle ricette fai da te per realizzare il proprio slime.

Spinto sempre dalla mia collega e madre premurosa ho fatto delle ricerche e ho notato

che alcuni di questi composti erano abbastanza pericolosi, soprattutto se questi vengono utilizzati nei giochi per bambini. Quindi attenzione mamme, perché tutte quelle sostanze utilizzate in modo improprio potrebbero essere irritanti e quindi non congeniali come giocattoli. Infatti non sono pochi i casi di dermatite da contatto, causate dai prodotti utilizzati per realizzare lo slime.

Eppure è possibile realizzare uno slime che potrebbe far divertire in tutta tranquillità mamme e bambini, vi inserisco gli ingredienti base per fare lo slime:

  • colla a base d’acqua quindi senza solventi, quella destinata all’uso dei bambini (controllate che sull’etichetta sia presente il numero 3+, ovvero utilizzabile dai tre anni in su),
  • colorante alimentare (di qualsiasi colore),
  • acqua
  • una soluzione di acido borico e bicarbonato. Attenzione all’acido borico che può risultare irritante, ma se inserito in concentrazioni basse risulta non pericoloso per un tempo di gioco idoneo.

Ma come è possibile che mescolando questi pochi ingredienti riusciamo a realizzare il nostro slime? Qui la chimica ci viene in aiuto.

Ciò che avviene è quello che in chimica si chiama reazione di polimerizzazione. In particolare, si tratta di trasformare un polimero lineare in uno reticolato grazie ad una reazione chimica. Ma cosa è un polimero? Ecco senza entrare troppo nel particolare, un polimero è una macromolecola costituita da un numero molto elevato di molecole più piccole chiamate monomeri.

Il polimero in questione è quello presente nella colla, chiamato alcol polivinilico o PVA, (C2H4O)n, è un polimero sintetico solubile in acqua, ma non in solventi organici, inodore, non tossico e dotato di ottime proprietà adesive ed emulsionanti. Resiste facilmente se sottoposto a trazione o flessione ma questa proprietà dipende dall’umidità. Tale reazione chimica avviene quando alla colla viene aggiunta una soluzione di borace.

Essa va a inserirsi tra le catene molecolari lineari della colla e forma dei collegamenti tra queste, andando a formare una vera e propria rete. Questa rete, inoltre, è in grado di trattenere grosse quantità di acqua, caratteristica che permette allo slime di assumere la tipica consistenza gelatinosa.

Anche lo slime è tutta questione di chimica!

Dott. Francesco Domenico Nucera


FONTI:

https://scuole.federchimica.it/docs/default-source/pubblicazioni/scheda-56.pdf?sfvrsn=9cfeb6bd_1

https://www.test.de/Spielschleim-Borsaeure-in-allen-geprueften-Slime-Produkten-5391703-0/

https://www.completeset.com/slime-a-history-of-mattels-grossest-toy-plus-tips-on-how-to-make-slime/

http://www.galenotech.org/reologia2.htm

https://www.ideegreen.it/fluidi-newtoniani-non-newtoniani-definizione-esempi-132722.html

2 pensieri riguardo “SLIME E FLUIDI NON NEWTONIANI

  1. Grazie prof. Nucera.
    Le tue spiegazioni sono sempre semplici e illuminanti e spesso vengo qui nel tuo blog per trovare le risposte alle domande difficili che mia figlia mi pone😅, perché anche lei è curiosa e s’impone mille domande e mi costringe a rimettermi a studiare per non fare brutta figura…
    Adesso ho capito perché serve l’acido borico nella colla, in sostanza fa un po’ il lavoro della maglia glutinica negli impasti tipo il pane se ho capito bene.
    Buone vacanze e grazie ancora!

    Piace a 1 persona

  2. Buongiorno professore,
    come sempre un articolo che incuriosisce, accattivante, di facile lettura pur mantenendo il rigore scientifico .
    Lo inoltro volentieri , come ho fatto per gli altri, ai miei colleghi.
    Grazie e complimenti

    Piace a 1 persona

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